BAKALÁŘSKÁ PRÁCE ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Výkonový zesilovač pro domácí použití

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Výkonový zesilovač pro domácí použití Pavel Smetana 2013

2

3

4 Abstrakt Práce je zaměřena na možnosti řešení výkonových zesilovačů. Zabývá se rozdělením jednotlivých druhů zesilovačů a jejich parametrů. Součástí práce je návrh a realizace nízkofrekvenčního výkonového zesilovače. Je zde popsán postup stavby zesilovače a jeho oživení. Parametry zesilovače byly ověřeny laboratorním měřením na přístroji Audio precision Klíčová slova výkonový zesilovač, Leach, tranzistor, zkreslení, Audio precision 2700 iv

5 Abstract This bachelor thesis is focused on the ways of construction of power amplifiers. There are introduced the kinds of the power amplifiers and their parameters in the thesis. The second part of the thesis consists of the design and the realization of the low frequency amplifier. The method of the construction and start-up of the amplifier is also described. The parameters were verified by Audio precision Key words power amplifier, Leach, transistor, distortion, Audio precision 2700 v

6 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této bakalářské práce. Dále prohlašuji, že veškerý software použitý při řešení této bakalářské práce je legální.... podpis V Plzni dne Jméno příjmení vi

7 Poděkování Tímto bych rád poděkoval Ing. Ladislavu Zuzjakovi za cenné odborné rady a výpomoc při realizaci a měření zesilovače. vii

8 Obsah SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK... IX ÚVOD ÚVOD DO TEORIE ŘEŠENÍ ZESILOVAČŮ LIDSKÝ SLUCH PARAMETRY POPISUJÍCÍ VÝKONOVÝ ZESILOVAČ OBECNÉ ROZDĚLENÍ ZESILOVAČŮ Integrovaný obvod (IO) Zapojení z diskrétních součástek Zapojení s elektronkami PRACOVNÍ TŘÍDY ZESILOVAČŮ Zesilovač třídy A Zesilovač třídy B Zesilovač třídy AB Ostatní třídy ZKRESLENÍ ZESILOVAČE - VZNIK Přechodové zkreslení Zkreslení při přebuzení zesilovače DRUHY ZKRESLENÍ ZESILOVAČE Celkové harmonické zkreslení (THD+N) Zkreslení TIM (Transient Intermodulation Distortion) Intermodulační zkreslení VÝSTUPNÍ VÝKON ZESILOVAČE VELIKOST IMPEDANCE, PRO KTERÉ JE ZESILOVAČ URČEN NAPÁJECÍ ZDROJ ZESILOVAČE VÝBĚR VHODNÉHO ŘEŠENÍ VÝKONOVÉHO ZESILOVAČE PRO DOMÁCÍ POUŽITÍ POPIS ZAPOJENÍ Vstupní diferenciální část Druhý stupeň Regulace klidového proudu Nadproudová ochrana Koncový stupeň Zpětná vazba Stejnosměrné servo STAVBA ZESILOVAČE Deska plošného spoje zesilovače Napájecí zdroj Pomalý náběh zdroje (softstart) POPIS VÝROBY DPS PRO ZDROJ METODOU NAŽEHLOVÁNÍ TONERU POSTUP OŽIVENÍ MĚŘENÍ ZESILOVAČE STAVBA PŘÍSTROJOVÉ SKŘÍNĚ VÝPOČET CHLADIČE ZÁVĚR:...23 SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ...24 PŘÍLOHY:...I-X viii

9 Seznam symbolů a zkratek f... Frekvence db... Decibel DC... Označení stejnosměrného proudu DPS... Deska plošného spoje Hz... Jednotka frekvence IO... Integrovaný obvod OZ... Operační zesilovač IO... Integrovaný obvod W... watt jednotka výkonu Ω... Ohm jednotka elektrického odporu V... Volt jednotka elektrického napětí ix

10 Úvod Výkonový nízkofrekvenční zesilovač pracuje v rozmezí člověkem slyšitelného pásma. Zesiluje nízkou úroveň vstupního signálu ze zdroje na dostatečnou úroveň tak, aby bylo možné vybudit reproduktory. Membrána reproduktoru pak přeměňuje zesílený elektrický signál na akustický tlak, který člověk vnímá jako zvuk. Cílem této práce je prostudovat různé možnosti řešení zesilovačů, vybrat vhodné schéma a postavit a oživit nízkofrekvenční výkonový zesilovač pro domácí použití. Od zesilovače očekávám výstupní výkon W při co nejnižším zkreslení. Následně jsou jeho parametry ověřeny laboratorním měřením. Byla vybrána modifikace známého symetrického zapojení zesilovače Leach. Autorem původního zapojení je profesor W. Marshall Leach, který toto zapojení publikoval v roce

11 1 Úvod do teorie řešení zesilovačů 1.1 Lidský sluch Nízkofrekvenční zesilovač musí pracovat v člověkem slyšitelném pásmu, které je v rozmezí od 20 Hz do 20 khz. Frekvence vyšší než 20 khz jsou pro člověka neslyšitelné a běžné reproduktory nedokáží tento zvuk zahrát. Pro nižší kmitočty musí mít membrána reproduktoru velkou plochu, aby vytvořila dostatečný akustický tlak. Lidský sluch nevnímá všechny frekvence se stejnou intenzitou. Intenzita vnímaného zvuku se mění v závislosti na akustickém tlaku a frekvenci. Křivky popisující závislost mezi frekvencí a akustickým tlakem se nazývají izofony. Tato závislost je znázorněna na obrázku č. 1. Obr. 1 - křivky stejné hlasitosti (izofony) [1] 1.2 Parametry popisující výkonový zesilovač Výkonový zesilovač si lze představit jako dvojbran, kde jsou důležitými parametry zisk, šířka zesilovaného pásma a zkreslení. Také by měl mít vysokou účinnost, potlačovat brum způsobený sítí a mít nízký šum, který způsobují rezistory a aktivní prvky. Výkonový zesilovač by měl být také schopen odevzdávat velké výkony do zátěže. 2

12 1.3 Obecné rozdělení zesilovačů Zesilovače lze rozdělit podle použitých součástek při stavbě na tři hlavní druhy integrovaný obvod, zapojení z diskrétních součástek a zapojení z elektronek. Speciálním případem je hybridní zapojení, které je vytvořené z jejich kombinace Integrovaný obvod (IO) Integrovaný obvod má kromě nízké ceny ještě mnoho dalších výhod. Jedna z nich je, že zesilovač je poměrně jednoduchý na zapojení a je spolehlivý. Většinou stačí přidat jen několik součástek a zesilovač je plně funkční. Další výhodou je vysoká hustota součástek v jednom pouzdře, tudíž je výsledný zesilovač menší a krátké spoje uvnitř pouzdra omezují parazitní vlastnosti propojovacích vodičů. Oteplení součástek je rovnoměrné kvůli jejich mechanické provázanosti. Pouzdro často obsahuje ochranné obvody proti přetížení a přehřátí. Běžné zapojení IO dosahují výstupního výkonu do 50 W Zapojení z diskrétních součástek Zapojení z diskrétních součástek nabízí možnost dosáhnout vysokých výstupních výkonů. Vysoké výstupní výkony jsou dosaženy paralelním řazením koncových tranzistorů. Nevýhodou je rozsáhlost zapojení a horší tepelná provázanost součástek. Také se mohou více projevit parazitní vlivy součástek Zapojení s elektronkami Elektronky, často nazývané lampy, se dnes používají v zapojení nízkofrekvenčních zesilovačů jen výjimečně. Elektronkové zesilovače nejsou dnes již běžně používány, ale přesto se s nimi stále můžeme setkat v některých zařízeních. Mezi hlavní výhody patří jejich nízký vnitřní odpor a frekvenční stabilita. U elektronkových zesilovačů také nenajdeme šum polovodičového přechodu. Jejich další vlastnost je krátkodobá přetížitelnost. Nevýhodou je velký odběr elektrické energie a nízká životnost. Další nevýhodou je nutnost použití kvalitních výstupních transformátorů, které dále prodražují výslednou cenu zesilovače. Také cena elektronek je v dnešní době vyšší při porovnání s cenou tranzistorů. 3

13 1.4 Pracovní třídy zesilovačů Zesilovač třídy A Tento typ zesilovače zesiluje celou periodu vstupního signálu. Jeho hlavní výhodou je minimální zkreslení. Mezi nevýhody patří malá teoretická účinnost maximálně 25 % způsobená velkým klidovým proudem. Tento typ zapojení je vhodný pro předzesilovače Zesilovač třídy B Toto zapojení zesiluje pouze jednu polaritu signálu. Proto je potřeba pro zesílení celé periody použít komplementární dvojici tranzistorů. Tranzistory pracují bez předpětí (v zániku kolektorového proudu). To způsobuje přechodové zkreslení (viz obr. 2). Výhodou tohoto zapojení je poměrně vysoká teoretická účinnost až 78,5 %. Obr. 2 - přechodové zkreslení [2] 4

14 1.4.3 Zesilovač třídy AB Tato třída využívá výhod obou typů zapojení A i B. Aby se minimalizovalo přechodové zkreslení, musí tranzistory protékat malý klidový proud báze a emitor musí pracovat s předpětím. Tento druh zesilovače má nižší účinnost než zesilovač třídy B, teoreticky až 70 %. Znázornění pracovních bodů jednotlivých tříd zesilovačů lze vidět na obrázku č. 3. Obr. 3 - grafické znázornění pracovního bodu tříd A,B,AB Ostatní třídy Třída C má záporné předpětí na bázi, a tak zesiluje pouze malou část periody. Výhodou je vysoká teoretická účinnost. V nízkofrekvenční oblasti se nepoužívá. Využití má převážně ve vysokofrekvenční technice. Třída D je označována jako Digitální. Pro zpracování signálu se používá pulsně šířková modulace. Využitím spínaného režimu tranzistorů je teoretická účinnost až 80 %. Zesilovač třídy G a H jsou kombinací předešlých tříd, kde je regulována velikost napájecího napětí. 5

15 1.5 Zkreslení zesilovače - vznik Za zkreslení se u zesilovače považuje změna tvaru výstupního signálu oproti vstupnímu. Některé druhy zkreslení nemusí mít na kvalitu zvuku zásadní vliv Přechodové zkreslení Toto zkreslení lze pozorovat u zesilovače třídy B, kde neprotéká klidový proud. Přechod báze-emitor se otevírá až při určité hodnotě napětí. To má za následek změnu tvaru signálu při průchodu nulou. Přechodové zkreslení se objevuje i u třídy AB, kde je částečně sníženo nastavením nízkého klidového proudu Zkreslení při přebuzení zesilovače Při určité úrovni vstupního signálu je zesilovač omezen maximálním napětím zdroje. Další zvyšování úrovně vstupní signálu deformuje výstupní signál. Tento jev se nazývá limitace zesilovače. 1.6 Druhy zkreslení zesilovače Zkreslení zesilovače lze popsat několika způsoby. Rozlišujeme celkové harmonické zkreslení, zkreslení TIM a intermodulační zkreslení Celkové harmonické zkreslení (THD+N) Harmonické zkreslení je dáno poměrem velikosti energií vyšších harmonických frekvencí oproti zkladní frekvenci. Udává se v procentech a pro čistý harmonický signál je THD+N = 0 %. Pro měření tohoto zkreslení je nutné mít co nejkvalitnější zdroj sinusového signálu. Celkové harmonické zkreslení lze vyjádřit pomocí následujícího vzorce: výkon vyšších harmonických P + P + P + + Pn THD + N = = výkon základní harmonické P Vzorec 1 výpočet THD+N [%] 6

16 1.6.2 Zkreslení TIM (Transient Intermodulation Distortion) Příčinou zkreslení TIM je celková zpětná vazba, která snižuje zesílení, rozšiřuje přenášené pásmo a zaručuje stabilitu. Projevuje se nedostatečnou rychlostí přeběhu, kdy zesilovač nestíhá sledovat vstupní signál. Zkreslení je patrné při vysoké úrovni obdélníkového signálu a vysoké frekvenci. Obdélníkový signál mění strmost náběžné hrany oproti vstupnímu signálu Intermodulační zkreslení Intermodulační zkreslení se projevuje při přivedení dvou sinusových signálů o různé frekvenci na vstup zesilovače. Na výstupu zesilovače se objeví jak vstupní signály, tak i jejich kombinace. 1.7 Výstupní výkon zesilovače Výstupní výkon zesilovač se udává ve Wattech a je měřen do určité míry zkreslení. Velikost míry zkreslení není závazná, ale může být stanovena například normou ČSN EN Výstupní výkon se označuje třemi způsoby: PMPO (Peak Music Power Output) PMPO označuje krátkodobý (špičkový) výkon zesilovače. Jeho hodnota je vyšší než u RMS. Energii pro tak vysoký výkon dodávají kondenzátory ve zdroji. U této hodnoty není přesně stanoveno, do jaké zátěže a jak dlouho špička trvá. RMS (Root Mean Square) RMS udává efektivní hodnotu střídavého napětí (proudu). Tato hodnota střídavého proudu vytvoří na zátěži stejné tepelné účinky, jako by vytvořil stejnosměrný proud. Sinusový výkon Sinusový výkon zesilovače je měřen při buzení harmonickým signálem (často měřeno pro 1 khz) při maximálním vybuzení zesilovače, dokud nedochází k limitaci. Uvádí se do jaké zátěže byl výkon měřen. 7

17 1.8 Velikost impedance, pro které je zesilovač určen Zesilovače mají uvedenou hodnotu jmenovité impedance, do které jsou schopny pracovat. Tuto impedanci je vhodné dodržovat. Při připojení nižší než jmenovité impedance mohou zareagovat ochrany proti přetížení, a nebo může dojít i ke zničení zesilovače. Reproduktory se vyrábí ve jmenovitých impedancích (2 Ω, 4 Ω, 6 Ω, 8 Ω ). Nižší hodnoty impedancí se používají například v autorádiích, kde jsme omezeni nízkou hodnotou palubního napětí 12 V. Vyšší hodnoty impedancí reproduktorů se používají pro snížení ztrát na přívodních vodičích. 1.9 Napájecí zdroj zesilovače Zdroj zajišťuje napájení zesilovače. Vhodné vlastnosti pro napájení má nestabilizovaný lineární zdroj. Blokové schéma nestabilizovaného lineární zdroje znázorňuje obr. č. 4. Obr. 4 - blokové schéma zdroje Důležité parametry zdroje jsou napětí a proud. Výstupní napětí za usměrňovačem musí být co nejméně zvlněné, proto se zdroj doplňuje o filtrační kondenzátory, které zvlnění potlačují. Ty se volí v jednotkách až desítkách mf podle velikosti výstupního výkonu. Zdroj se dále doplňuje o keramické kondenzátory o kapacitě několik stovek nf, aby odstranily vysokofrekvenční rušení. Je vhodné použít transformátor v toroidním provedení, který vykazuje oproti klasickým transformátorům vyšší účinnost a nižší rušení. Velikost výkonu napájecího transformátoru se volí minimálně stejně velká, jako je výstupní výkon zesilovače, ale je vodné ponechat dostatečnou výkonovou rezervu. Orientační hodnoty transformátorů a kondenzátorů jsou uvedeny v následující tabulce: 8

18 výkon zesilovače výkon transformátoru napětí hlav. sekund. vinutí filtrační kondenzátory 1 x 100 W 150 W 2 x 35 V C1 = C2 = 5000 µf/50 V 2 x 100 W 250 W 2 x 35 V C1 = C2 = µf/50 V 1 x 200 W 250 W 2 x 40 V C1 = C2 = µf/63 V 2 x 200 W 400 W 2 x 40 V C1 = C2 = µf/63 V 1 x 300 W 300 W 2 x 50 V C1 = C2 = µf/70 V 2 x 300 W 500 W 2 x 50 V C1 = C2 = µf/70 V Tab. 1 orientační hodnoty transformátoru a kondenzátorů pro dimenzování zdroje [3] 9

19 2 Výběr vhodného řešení výkonového zesilovače pro domácí použití Pro domácí poslech požadujeme: - Dvoukanálový zesilovač provozovaný ve stereo režimu - Očekávaný výstupní výkon zesilovače W při použití do zátěže o velikosti 4 Ω - Frekvenční rozsah 20 Hz až 20 khz - Zapojení v symetrickém provedení Byl vybrán symetrický výkonový zesilovač postavený z diskrétních součástek. Inspirací je známé zapojení Leach. Jedna z mnoha jeho modifikací se objevila v Amatérském radiu [4]. 2.1 Popis zapojení Obr. 5 blokové schéma výkonového zesilovače Vstupní diferenciální část Zesilovač je řešen jako symetrické zapojení. Vstupní signál je přiveden na vstupní RC člen, který odstraňuje vysoké frekvence. Dále signál pokračuje na diferenciální vstup tvořený tranzistory T2, T3 a T5, T6. Vstupní signál je přímo přiveden na báze tranzistorů T2 a T3, zpětnovazební signál je přiveden na báze T5 a T6. Rozdílový signál, který vznikne odečetem vstupního a zpětnovazebního signálu je reprezentován jako kolektorový proud přes tranzistory T2 a T3 a je použit pro řízení dalšího stupně. Rozdílový signál prochází také přes tranzistory T1 a T4. Ty jsou připojeny na referenční napětí dané Zenerovými diodami D5 a D6 na 39 V. Nastavují tak klidový proud v diferenciálním zesilovači. 10

20 2.1.2 Druhý stupeň Druhý stupeň zesilovače je tvořen tranzistory T7, T10 a T8, T9. Tranzistory T7 a T10 se v běžném provozu neprojeví, slouží pouze jako ochrana. Tranzistory T8 a T9 slouží jako zesilovač signálu z diferenciálního stupně. Tranzistory T11 a T12 slouží jako regulace výstupu druhého stupně Regulace klidového proudu Tranzistor T13 slouží jako stejnosměrný regulátor napětí. Velikost stejnosměrného napětí je regulována trimrem P1. Ten ovlivňuje velikost klidového proudu přes koncový stupeň. Tranzistor T13 je umístěn na chladiči společně s koncovými tranzistory. Teplotní spojení přes chladič slouží jako zpětná vazba, která zaručí pokles napětí na tranzistoru při ohřátí. Některá zapojení využívají diod místo přímého umístění tranzistoru na chladiči. Diody jsou tepelně svázány s chladičem a slouží jako regulace při ohřátí. Nejlepší volbou je použití koncových tranzistorů, které obsahují snímací diodu přímo v pouzdře, tzv. ThermalTrak. Takto je zaručena nejlepší teplotní provázanost. Nevýhodou je úzký výběr a nedostupnost tranzistorů v tomto provedení Nadproudová ochrana Zesilovač je doplněn o nadproudovou ochranu tvořenou tranzistory T14 a T15. Ty snímají velikost napětí na emitorových odporech. Nadproudová ochrana se nastavuje trimry P2 a P Koncový stupeň Výstup z druhého stupně pokračuje do koncového, který má nízkou výstupní impedanci a dokáže odevzdat velké výkony do zátěže. Výstupní (koncové) tranzistory T18 až T21 jsou buzeny tranzistory T11, T12 a T16, T17. Celkově se jedná o třístupňové darlingtonovo zapojení. Tím je dáno velké proudové zesílení, které je potřeba pro vybuzení reproduktoru. Budič pracuje ve třídě A, aby snížil přechodové zkreslení. T18 a T20 zesilují kladnou polaritu signálu, T19 a T21 zesilují zápornou polaritu signálu. Emitorové rezistory R47 až R51 vyrovnávají výrobní odchylky koncových tranzistorů a zajišťují tak rovnoměrné rozložení proudů přes koncové tranzistory. 11

21 Z koncových tranzistorů jde signál přes R53 paralelně s cívkou L1 na výstupní svorky. Výstup je uzemněn přes sériovou kombinaci rezistoru R54 a kondenzátoru C26, která se nazývá Boucherotův člen, a je spojena se zemí. Tato část potlačuje možný vznik zákmitů způsobených parazitní kapacitou reproduktorů a reproduktorových kabelů Zpětná vazba Zpětná vazba je zde rozdělena do dvou větví. První část je vedena přímo z budičů T11, T12 přes rezistor R27 a kondenzátor C15. Dále je uzemněna přes antisériové spojení kondenzátorů C28 o hodnotě 220 µf a k nim paralelní kondenzátor C27. Druhá část je vedena přímo z koncových tranzistorů přes rezistory R24 a R21 a je uzemněna kondenzátorem C Stejnosměrné servo Původní zapojení bylo doplněno o stejnosměrné servo realizované operačním zesilovačem TL061. Stejnosměrné servo snímá velikost stejnosměrné složky na výstupu zesilovače a přivádí opačné napětí na vstup diferenciálního stupně. Tím snižuje velikost stejnosměrné složky na výstupu. Napájení pro stejnosměrné servo bylo odvozeno přes rezistory a Zenerovy diody od napájení zesilovače. Protože se po oživení ukázalo, že DC servo není pro zapojení zásadním přínosem, rozhodl jsem ho vynechat z důvodu příliš velkého vstupního napěťového offsetu OZ TL061. Katalog výrobce OZ Thomson Microelectronics TL061 [5] udává vstupní napěťový offset V io =3 mv. Vhodným výběrem například OZ OP07 od firmy Texas Instruments by se funkce DC serva mohla zlepšit. Pro OZ OP07 je v datovém listu uvedena hodnota V io =60 µv [6] +15 V +NAP 2k2 R20 470u/25V +15V C1 1u R3 D3 ZD15V C5 C4 DCSERV R5 1M C2 1u R2 1M TL061 D1 1N4148 D2 1N4148 1M DCSOUT D4 ZD15V 2k2 R23 C7 C8-15 V -NAP 470u/25V -15V Obr. 6 schéma DC serva a jeho zdroje 12

22 2.2 Stavba zesilovače Deska plošného spoje zesilovače Základem při stavbě zesilovače je deska plošného spoje (DPS). Byla použita dvoustranná deska o rozměrech 160 x 80 mm. Při kusové výrobě DPS neobsahuje prokovené otvory a tak je potřeba pájet součástky z obou stran. Pro osazování byly použity běžně dostupné součástky. Rezistory jsou metalizované. Elektrolytické hliníkové kondenzátory jsou tepelné odolné na 105 C. Trimry 2 kω jsou víceotáčkové (25 otáček), aby bylo možné jemně nastavit klidový proud koncovými tranzistory. Emitorové rezistory jsou řešeny pomocí metaloxidových rezistorů na 2 W. Zde by bylo vhodné použít rezistory drátové o jmenovité výkonové ztrátě 5 W. Diferenciální stupeň je řešen tranzistory v pouzdře TO92. Druhý stupeň a tranzistor pro regulaci klidového proudu je v pouzdře TO-220. Pouzdro je celoplastové a tak odpadá problém s izolačními podložkami. Nevýhodou je snížený odvod tepla. Kvůli mechanickému provedení zesilovače byly zvoleny bipolární koncové tranzistory Toshiba 2SC5200 a 2SA1943 v pouzdře TO264. Pod tyto tranzistory jsem použil silikonovou izolační podložku. Všechny tranzistory umístěné na chladiči jsou pro lepší odvod tepla namazány tepelně vodivou pastou. Zenerovy diody tvořící referenční napětí 39 V jsou přeměřené a byly vybrány z více kusů. Pojistky jsou použity rychlé o velikosti vypínacího proudu 5 A a jsou uloženy v pojistkovém pouzdře Napájecí zdroj Zdroj energie pro zesilovač je řešen pro každý kanál odděleně. Jedná se o symetrické provedení ± 52 V. Pro tento zdroj byl zvolen toroidní transformátor 2x36 V 300 W. Usměrňovač je můstkový se jmenovitým proudem 30A. Každý kanál obsahuje celkem 6 filtračních kondenzátorů, každý o kapacitě 4,7 mf. Celková kapacita je cca 15 mf pro každou polaritu. Paralelním spojením více kondenzátorů o nižší kapacitě se také sníží vnitřní odpor zdroje. Propojení zdroje a zesilovače je realizováno pomocí vodičů s konektory Faston 4,8 mm. 13

23 6x 4700uF/63V 2x +NAP TRAFO 1 MUSTEK 30A ZEM TRAFO 1 TR1 -NAP Obr. 7 schéma napájecího zdroje Obr. 8 DPS zdroje po vyleptání a omytí Obr. 9 DPS zdroje po osazení Pomalý náběh zdroje (softstart) Tento pomocný obvod má za úkol snížit proudový ráz do sítě při zapnutí a snižuje namáhání filtračních kapacit způsobených vysokým nabíjecím proudem. Při zapnutí zdroje dochází k nabíjení velkých kapacit, a to v kombinaci s magnetizačním proudem transformátoru způsobuje proudovou špičku, která může vybavovat jisticí prvek instalace. Obr. 10 foto softstartu 14

24 L T 5A C1 100R/20W TRAFO 1 230V 50Hz 2k 5W 1000u/35V ZD24V 27R 5W R2 Rele1-24V R1 TRAFO 2 MUSTEK 5A CERVENA LED N 470n X2 2k/5W BY550 RELE2-24V C2 100u/35V ZD 24V TRAFO 1 TRAFO 2 Obr. 11 schéma softstartu Popis funkce Rezistor R1 o hodnotě 100 Ω a maximální jmenovité výkonové ztrátě 20 W je po zapnutí síťového spínače v sérii s primárními vinutími transformátorů. Po časové prodlevě 1-2 sekundy, která je dána dobou nabíjení kondenzátoru C1 o hodnotě 1000 µf/35 V sepne relé 1, které přemostí rezistor. Aby došlo k včasnému odpadnutí relé po vypnutí zařízení, je paralelně k cívce spínacího relé 1 rozpínací relé 2, které po odpojení napájení vybije zbytkový náboj z kondenzátoru C1 přes rezistor 27 Ω/5 W. Relé jsou použita na napětí 24 V, Zenerovy diody chrání proti přepětí a odvádí napěťové špičky způsobené spínáním cívek relé. Softstart také obsahuje indikační červenou LED diodu. Deska plošného spoje pro zdroj a softstart je vyrobena metodou nažehlování toneru z laserové tiskárny. 2.3 Popis výroby DPS pro zdroj metodou nažehlování toneru Jednoduché obvody obsahující několik součástek je nákladné vyrábět například fotocestou. Spoje kreslené v ruce nemají stejnou tloušťku čar a na větších plochách jsou vidět tahy fixem. Aby bylo dosaženo lepšího výsledku, byl použit jako rezist při leptání toner z laserové tiskárny. 15

25 Obr vytisknutý toner na lesklém papíře Metoda spočívá v tom, že se na lepící papír, reklamní leták nebo speciální fólii vytiskne laserovou tiskárnou motiv cest a přiloží se na desku ze strany mědi. Žehličkou se nažehlí. Důležité je, že se motiv nemusí zrcadlově převracet. Doba žehlení se pohybuje okolo 5 minut. Po vychladnutí desky se papír nechá odmočit ve vlažné vodě. Použití barevných papírů se ukázalo jako neefektivní, protože toner nedržel na desce. Záleží na druhu toneru a typu barevných nažehlovacích papírů. Lepší výsledek byl dosažen tiskem motivu na lesklý papír reklamního letáku. Po nažehlení a odmočení toner zůstal na desce. Odstraňování papíru z desky vyžaduje jistou trpělivost a opatrnost, aby nedošlo k poškození motivu. Menší chyby se snadno doopraví lihovým fixem. Následovalo vyleptání v roztoku chloridu železitého a odstranění toneru. Toner nelze odstranit lihem jako lihový fix, ředidlo nesmývalo dokonale. Jako účinný se osvědčil toluen. Obr odstraněný papír po nažehlení Obr. 14 vyleptaná deska plošného spoje 16

26 3 Postup oživení Po osazení součástkami a upevnění na chladič byl zesilovač pro první připojení ke zdroji osazen pojistkami o nižší hodnotě vypínacího proudu. Mezi zdroj a zesilovač byly do obou větví vřazeny rezistory o velikosti 50 Ω, které ochrání součástky především tranzistory v případě chyby v zapojení. Paralelně k rezistoru byl zapojen voltmetr, který měřil úbytek napětí. Podle velikosti napětí, respektive velikosti proudu, který přes rezistor prochází, bylo možné rozpoznat problém v zapojení. Zesilovač nefungoval na první zapojení. Při provozu na prázdno bylo stejnosměrné napětí v jednotkách milivolt. Po připojení zátěže se objevila na výstupu stejnosměrná složka 4 V. Po odpojení stejnosměrného serva byla stejnosměrná složka na výstupu bez zátěže v hodnotě mv. To je pro toto zapojení příliš vysoká hodnota. Další chyby ve schématu byly objeveny v diferenciálním stupni, kde jsou k Zenerovým diodám D5, D6 paralelně umístěny kondenzátory C9, C13. Schéma uvádělo pro jednu větev kondenzátor C9 100 uf/50 V a v druhé větvi byl použit kondenzátor C13 10 uf/50 V. Ochraná Dioda D12 byla orientována opačně. Ani po odstranění těchto chyb nefungoval zesilovač správně. Při porovnání s originálním zapojením bylo zjištěno, že chybí část zpětné vazby. Rezistor R22 byl přímo uzemněn. Připojil jsem do série s rezistorem kondenzátor C nf. To sice snížilo výstupní napětí bez DC serva na hodnotu 5-20 mv, ale snížilo to také zesílení v oblasti nízkých frekvencí a způsobilo fázový posun a deformaci výstupního signálu. Po doplnění zpětné vazby připojením antisériové kombinace kondenzátorů C28, C29 o kapacitě 220 uf podle originálního zapojení se zesílení v celém frekvenčním pásmu ustálilo. Tvar a fáze výstupního signálu byly také v pořádku. Horní hranice frekvenčního pásma byla výrazně nad potřebnou úrovní (nad 100 khz). Z důvodu možného vzniku nestability jsem na vstupní konektor zesilovače umístil pasivní filtr typu dolní propust tvořený kombinací rezistoru a kondenzátoru. IN 22k OUT 270p IN OUT 17

27 Obr. 15 schéma zapojeného filtru na vstupním konektoru 1 2πRC 1 = 3 2π f 0 = = 12 Vzorec 2 26,8 khz Po měření (viz grafy) se ukázalo zvolení keramického kondenzátoru a jeho nízké hodnoty 270 pf jako nevhodné. Kvůli až 20% toleranci se horní hranice frekvenčního pásma přesunula na 21 khz. Po odstranění kondenzátoru a zanechání 22 kω rezistoru v sérii se horní hranice frekvenčního pásma posunula na 33 khz. Podle teoretických předpokladů je horní hranice přenášeného pásma, kde je pokles o 3 db, dostatečně vysoko. Změna zesílení v pásmu 20 Hz až 20 khz by měla být co nejnižší, optimálně do ±0,5 db [9]. Pro kvalitnější vstupní filtr by bylo vhodné použít místo keramického kondenzátoru svitkový kondenzátor o vyšší kapacitě. 3.1 Měření zesilovače Parametry zesilovače byly ověřeny laboratorním měřením na audioanalyzátoru Audio precision Audioanalyzátor [10] dosahuje nízké hodnoty zkreslení THD+N až 0,00025 %. Rychlost měření závisí na velikosti použitého kroku a nastavení přesnosti. Signálový sinusový generátor s rozsahem 10 Hz až 204 khz dosahuje přesnosti frekvence v rychlém režimu ± 0,5 % a v přesném režimu ±0,03 %. Výstupem měření jsou grafy, které lze exportovat jako obrázek nebo tabulkové hodnoty. Na zesilovači byla změřena amplitudová frekvenční charakteristika pro různé úrovně vstupního napětí, závislost zkreslení THD+N na frekvenci a závislost zkreslení THD+N na napětí. Poslední měření obsahovalo závislost zkreslení THD+N na frekvenci i napětí, které popisuje v jednom grafu celkové chování zesilovače. Zesilovač má zisk 29,5 db. Maximální úroveň vstupního napětí je 1,4 V. Při dalším zvyšováním úrovně vstupního napětí dochází k přebuzení zesilovače a navyšování hodnoty zkreslení THD+N. Nejnižší hodnota THD+N = 0,0267 % byla naměřena při jmenovitém výkonu. 18

28 4 Stavba přístrojové skříně Součástí práce je stavba skříně, ve které bude zesilovač umístěn. Obr. 16 rozložená skříň a jednotlivé části Obr. 17 sestavená skříň bez komponent Pro dobré parametry jako jsou dostatečná pevnost, nízká hmotnost, dobrý odvod tepla a dobrá obrobitelnost byla zvolena skříň vyrobená z hliníku. Deska zesilovače i s tranzistory je umístěna přímo na chladiči, který tvoří boční stěny. Přední i zadní panel je vyroben z hliníkového plechu o tloušťce 2 mm. Spojení jednotlivých částí je realizováno pomocí hliníkových L profilů a šroubů M3. Přední panel, přišroubovaný 5 mm šrouby s imbusovou hlavou, obsahuje síťový páčkový vypínač a červenou indikační LED diodu. Zadní panel obsahuje napájecí EURO konektor, vstupní XLR konektory a výstupní reproduktorové konektory. Na distančních sloupcích je přišroubovaný softstart. Dno zesilovače je také z hliníkového plechu. Ke dnu jsou připevněny toroidní transformátory a pomocí distančních sloupků jsou připevněna DPS zdrojů. Aby se zamezilo poškození povrchu, na kterém bude zesilovač umístěn, je vybaven čtyřmi přístrojovými podstavci. Pro zamezení kontaktu s živými částmi slouží horní kryt, který je vyroben z černého plechu. Obr. 18 sestavený zesilovač Obr. 19 foto pohledu do skříně 19

29 4.1 Výpočet chladiče Odvod tepla z tranzistoru, respektive z jeho čipu na chladič, není ideální. Ve skutečnosti stojí v cestě několik tepelných odporů. Celkový tepelný odpor je pak dán vztahem: R ϑ ge = Rϑ G + RϑU + Vzorec 3 [2] R ϑk R ϑg vnitřní tepelný odpor tranzistoru (přechod čip-pouzdro). T j označuje maximální teplotu čipu. Hodnota je získaná z katalogového listu [7], T a je provozní teplota, pro kterou navrhujeme chladič. P = maximální výkonová ztráta pouzdra. T j Ta Rϑ G = = = 0, 6 P 150 Vzorec 4 K/W R ϑu přechod tepla mezi pouzdrem tranzistoru a chladičem (zde se uplatní odpor izolační podložky, neideální rovnost povrchu, požitá teplovodivá pasta). Z dokumentace silikonové podložky [8] vyplývá tepelný odpor 0,3 K/W, účinky teplovodivé pasty a nerovnost chladičů lze zanedbat. R ϑk tepelný odpor chladiče. Tato hodnota bývá udávaná výrobcem chladiče. U mnou použitého chladiče není známa. Lze použít hodnotu z podobného chladiče nebo ji vyčíst z tabulek. V tomto případě byla využita metoda pro výpočet plechového chladiče. Celý objem chladiče včetně žeber byl přepočítán na velikost obyčejného plechu. Zde se dopouštím nepřesnosti, ale výpočet bude pro nejnepříznivější variantu, plocha žeber chladiče výrazně zlepšuje odvod tepla. 0,25 3,3 C 650 C 3, Rϑ K = + = + = 2 λ d S 2, ,5 K/W C = korekční faktor; λ = teplotní vodivost materiálu; d = síla materiálu; S = plocha chladiče v cm. Tyto hodnoty získáme z tabulek 2 a 3. Vzorec 5 [2] 20

30 poloha povrch plechu materiál λ [W/K cm] nečeněný černěný hliník 2,1 kolmá montáž 0,85 0,43 měď 3,8 vodorovná montáž 1 0,5 mosaz 1,1 Tab. 2 - Hodnoty korekčního faktoru C [2] Tab. 3 - Hodnoty tepelné vodivosti λ [2] Dále je potřeba spočítat výkon, který je přeměněn v zesilovači na teplo. U zesilovače třídy AB lze použít vzorec 6, kde P 0 = jmenovitý sinusový výkon. P0 200 Pϑ AB max = = = 66, 67 W 3 3 Vzorec 6 [2] Rozdělením celkové výkonové ztráty mezi 4 tranzistory vychází výkonová ztráta pro jeden tranzistor: P P AB max AB 1 Tran = ϑ ϑ = = 16, 67 4 Vzorec 7 Celkový tepelný odpor R ϑge pro jeden tranzistor se spočítá podle vzorce 8. T i označuje maximální teplota tranzistoru získaná z katalogového listu [7], T u = provozní teplota. W R Ti T = P [ K W ] u ϑ ge = = 5,4 / ϑab 1Tran 16,67 Vzorec 8 [2] Vyjádřením a dosazením do vzorce 3 byla získána potřebná hodnota tepelného odporu chladiče pro jeden tranzistor. R ϑ ge = Rϑ G + Rϑ U + RϑK RϑK 1 Tran = Rϑ ge Rϑ G RϑU = 5,4 0,6 0,3 = 4,5 K / W Vzorec 9 Při zanedbání tepelného příspěvku budících tranzistorů byla vydělena hodnota celkového tepelného odporu počtem koncových tranzistorů, mezi které je rozdělena výkonová ztráta. V našem případě mezi čtyři koncové tranzistory. R ge 4,5 R K = ϑ ϑ = = 1,125 K / W 4 4 Vzorec 10 21

31 Ze vzorce 10 lze vidět, že pro jmenovitý výkon zesilovače 200 W by byl potřeba chladič o tepelném odporu 1,125 K/W. Z výpočtu použitého chladiče vyšla hodnota tepelného oporu 2 K/W. Z nepřímé úměrnosti lze vypočítat maximální jmenovitý výkon P 0max, který lze uchladit. 200 W...1,125 P 0max...2 K / W K / W 1,125 P0 max = 200 W = 112, 5 2 W Vzorec 11 22

32 5 Závěr: Při stavbě zesilovače jsem narazil na problémy, které byly způsobeny chybami ve schématu a způsobovaly tak jeho špatnou funkci. Po odstranění těchto závad a oživení následovalo měření zesilovače na přístroji Audio precision Maximální výkon byl naměřen 112 W do 8 Ω. Teoretický výkon by byl přibližně 200 W při použití do zátěže 4 Ω. Z výpočtu lze vidět, že chladiče jsou poddimenzovány. Podle výpočtu chladiče uchladí jmenovitý výkon do hodnoty nejnižší impedance 8 Ω. Chladič byl počítán pro variantu bez žeber a tak jeho skutečná schopnost odvádět teplo je větší a pro domácí použití jsou tyto chladiče dostatečné. Při používání zesilovače do zátěže 4 Ω by bylo vhodné pasivní chladiče doplnit o ventilátor. Zesilovač obsahuje obvod pro pomalý náběh zdroje na plný výkon. Tím je zajištěna stabilita při zapnutí. Dále by bylo vhodné doplnit zesilovač o zapojení ochran reproduktorů. Ochrany by zamezily zničení reproduktorů při výskytu závady zesilovače nebo jiné neprovozní situace. Zesilovač splnil moje očekávání, jeho parametry mnohonásobně převyšují moje potřeby. V celém řetězci určitě nebude nejslabším článkem. Hmotnost zesilovače je 11 kg a celkové náklady na stavbu činily 3600 Kč. 23

33 Seznam literatury a informačních zdrojů [1] Akustika, vznik a šíření zvuku, frekvenční analýza a syntéza, sluchový vjem zvukového signálu. [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] KOTISA, Zdeněk. NF zesilovače. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2003, 95 s. ISBN [3] VORÁČEK, Vojtěch. NF zesilovače. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2006, 103 s. ISBN [4] Amatérské radio: časopis pro elektroniky a amatéry. Praha: AMARO spol. s. r. o. ISSN [5] Datový list obvodu TL061 [cit. 30. května 2013]. Dostupné na: [6] Datový list obvodu OP07C [cit. 30. května 2013]. Dostupné na: [7] Datový listy tranzistorů Toshiba 2SC5200 a 2SA1943 [cit. 30. května 2013]. Dostupné na: [8] Datový listy izolační podložky [cit. 30. května 2013]. Dostupné na: [9] SELF, Douglas. Audio power amplifier design handbook. 5th ed. Oxford: Focal Press/Elsevier, ISBN [10] 2700 Series Instrument Specifications [cit. 30. května 2013]. Dostupné na: 24

34 Přílohy: C3 VSTUP 4.7uF 50V DCSERV R4 2k2 C20 100u/100V R7 330R C18 R6 1k2 T2 BC550 R11 330R R10 2k2 T1 BC546 R14 330R T5 BC550 R18 330R D5 ZD39V C9 100u/100V C10 R15 12k T7 BC560 C14 10p R30 7k5 R31 1k P1 2k T13 R21 R25 33R R26 390R 2SC4793 T8 MJE350 C17 R38 82R D7 1N4148 R24 T14 BC548 P2 2k R34 3k9 C22 D15 D9 1N4148 T11 R35 330R 2SC4793 T16 2SC4793 R42 10R R41 10R R45 680R R49 680R C24 10n R47 0R33 T18 2SC5200 R51 0R33 T20 2SC5200 R53 D13 1N u/100V C 29 T 5A C30 VYSTUP +NAP R1 22k C6 390p R8 330R R12 330R R17 330R R19 330R R55 12k 12k C15 C11 180p 12k R27 R39 220R R46 0R33 DCSOUT R52 0R33 10R L1 10 zavitu R54 10R R58 100R T3 BC560 T4 BC556 T6 BC560 C5 C13 100u/100V D6 ZD39V C27 R22 1K 47p C28 220u/63V C29 220u/63V C16 10p R56 390R T9 MJE340 22k T15 BC558 D8 1N4148 P3 2k R37 3k9 C23 D16 D10 1N4148 R36 330R T17 C25 R44 10R R43 10R 2SA n R50 680R R57 680R T19 2SA1943 T21 2SA1943 D14 1N4007 C26 C21 100u/100V C19 R9 1k2 R13 2k2 T10 BC550 R29 33R R40 T12 2SA1837 C30 C31 T 5A -NAP 82R 100u/100V Schéma 1 zapojení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače i

35 C3 VSTUP 4.7uF 50V DCSERV R4 2k2 C20 100u/100V R7 330R C18 R6 1k2 T2 BC550 R11 330R R10 2k2 T1 BC546 R14 330R T5 BC550 R18 330R D5 ZD39V C9 100u/100V C10 R15 12k T7 BC560 C14 10p R30 7k5 R31 1k P1 2k T13 R21 R25 33R R26 390R 2SC4793 T8 MJE350 C17 D7 1N4148 R24 T14 BC548 R38 82R P2 2k R34 3k9 C22 D7 D9 1N4148 T11 R35 330R 2SC4793 T16 2SC4793 R42 10R R41 10R R45 680R R49 680R C24 10n R47 0R33 T18 2SC5200 R51 0R33 T20 2SC5200 R53 D13 1N u/100V C 29 T 5A C27 VYSTUP +NAP R1 22k C6 390p R8 330R R12 330R R17 330R R19 330R R15 12k 12k C15 C11 180p 12k R27 R39 220R R46 0R33 DCSOUT R52 0R33 10R L1 10 zavitu R54 10R R58 100R T3 BC560 T4 BC556 T6 BC560 C5 C13 100u/100V D6 ZD39V C27 R22 1K 47p C28 220u/63V C29 220u/63V C16 10p R26 390R T9 MJE340 22k T15 BC558 D8 1N4148 P3 2k R37 3k9 C23 D8 D10 1N4148 R36 330R T17 C25 R44 10R R43 10R 2SA n R50 680R R46 680R T19 2SA1943 T21 2SA1943 D14 1N4007 C26 C21 100u/100V C19 R9 1k2 R13 2k2 T10 BC550 R29 33R R40 T12 2SA1837 C30 C28 T 5A -NAP 82R 100u/100V Schéma 2 zapojení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače s vyznačením jednotlivých bloků ii

36 Graf 1 - Frekvenční amplitudová charakteristika Uvst=100 mv, RC člen na vstupu, 8 Ω zátěž iii

37 Graf 2 - Frekvenční amplitudová charakteristika Uvst = 1 V, RC člen na vstupu, 8 Ω zátěž iv

38 Graf 3 - Frekvenční amplitudová charakteristika Uvst = 1 V, bez RC členu na vstupu (pouze 22 kω v sérii), 8 Ω zátěž v

39 Graf 4 - Frekvenční amplitudová charakteristika Uvst = 1 V, s a bez RC členu na vstupu, 8 Ω zátěž vi

40 Graf 5 - Závislost THD+N zkreslení na frekvenci vii

41 Graf 6 - Závislost zkreslení na vstupním napětí viii

42 Graf 6 - Závislost THD zkreslení na napětí a frekvenci ix

43 Legenda ke grafu 6 x